催化剂颗粒撞击壁面的有限元分析

针对催化裂化过程中催化剂颗粒大量跑损的问题,采用有限元的方法建立了单颗催化剂颗粒撞击壁面的有限元模型,并运用Abaqus作为前处理器。催化剂颗粒是一种典型的脆性材料,在有限元模型中选取了相应的材料本构模型,模拟了不同参数(撞击形态、入射速度、入射角度)的催化剂颗粒撞击壁面的过程,建立了催化剂颗粒的质量损失与催化剂颗粒参数间的关系,并对模拟结果进行了分析。最后,根据数值模拟的结果,优化了催化剂颗粒的参数,提出了减少催化剂跑损的措施。研究结果表明,撞击过程中的不同催化剂颗粒参数对催化剂的磨损量会产生较大的影响,催化剂颗粒的磨损量随着入射速度和入射角度的增大而增大,当催化剂颗粒以45°的形态撞击壁面时,磨损量最小。     

基于有限元法催化剂颗粒撞击壁面的数值模拟

为解决催化裂化装置中的许多构件因为催化剂颗粒长期不断冲击而导致失效等的问题,将有限元法应用到其模拟仿真中,分析了单颗催化剂颗粒参数(角度、速度、材料)对不同壁面材料的撞击而造成壁面磨损的影响,建立了催化剂颗粒撞击壁面的数值分析模型,研究了催化剂颗粒以不同的速度、撞击角度,以及不同的催化剂颗粒的材料撞击不同材料的壁面对壁面造成的影响,并分析了催化剂颗粒变形对壁面磨损的影响,根据计算的结果,对催化剂颗粒参数进行了优化控制,提出了减少催化剂颗粒变形和构件磨损的技术措施.研究结果表明,该方法能够使催化裂化装置长期安全稳定地运行.     

颗粒流撞击壁面的离散元模拟

为了解决催化裂化装置中催化剂颗粒的磨损、撞碎等问题,首要解决催化剂颗粒的运动特性问题,为此将离散元数值模拟的技术应用到催化剂颗粒撞击壁面的模型中,简化了催化剂颗粒撞击壁面的模型为颗粒流撞击壁面模型,开展了颗粒流撞击壁面的离散元分析;建立了颗粒流中随机标记颗粒的速度与时间、位移与时间的关系,及整个颗粒流的动能与时间的关系;追踪了标记颗粒的运动轨迹,解释了颗粒流撞击壁面产生不规则分布的原因;提出了分段区间随机取样求得壁面平均应力的方法,在不同入射速度下对壁面产生的平均应力大小进行了对比分析。研究结果表明,入射颗粒流的速度对壁面应力的影响呈不稳定性,不同的入射速度影响壁面的平均应力大小,且在一定范围内入射速度越大,壁面的应力越大。     

单颗磨粒的冲击磨损理论及实验研究

针对螺旋式约束磨粒流抛光的机理研究,基于ANSYS建立了单颗磨粒的冲击模型,选用铝合金作为工件的材料,并建立相应的Johnson-Cook弹塑性模型,分析单颗磨粒对材料的冲击磨损情况,并对颗粒的冲击磨损特性进行了实验研究。结果表明:对于弹塑性金属材料,撞击初期主要是发生弹塑性变形,形成压坑与变形唇,经多次碰撞挤压后,最终以小块金属剥落而产生磨损。在一定冲击角度(颗粒冲击轨迹与水平面的夹角)下工件表面材料磨损量较高,随着磨粒碰撞速度和碰撞次数的增加材料磨损量增大。螺旋式约束磨粒流通过改变颗粒的冲击轨迹能有效提高工件表面的加工效率与质量。     

混凝土泵送中管壁磨损过程的离散元模拟研究

建立了混凝土离散元模型,并通过L箱流动实验校核了该模型,得到了计算参数。采用该模型及得到的参数对混凝土泵送过程进行数值模拟,其中,以颗粒对管壁的冲击力和平均力表征壁面磨损程度,对泵送过程中管壁磨损过程进行研究。分析了泵送速度、弯管角度等因素对管壁磨损分布的影响,预测了最易磨损位置。结果表明：弯管管壁磨损随着泵送速度的增大而增大,随着弯管角度的增大而增大,模拟结果与实际泵送过程中观测到的最易磨损位置吻合较好。     

喷丸强化过程的有限元和离散元模拟

利用有限元法建立喷丸强化过程中单/多颗弹丸连续撞击靶材的数值分析模型,对于单弹丸撞击情况,探讨了弹丸参数(速度和角度)对靶材中残余应力场的影响,对于双弹丸连续撞击情况,探讨了第二颗弹丸速度对靶材中残余应力场的影响;建立了模拟喷丸强化过程的三维离散元模型并进行了数值试验研究,分析了喷丸强化过程的工艺参数(质量流速、初始速度、喷嘴攻角等)对颗粒流中弹丸间相互碰撞的影响;结合有限元和离散元计算结果,提出对喷丸强化工艺参数进行优化控制,提高喷丸强化的加工工艺水平,以实现更好的强化效果.     

基于ANSYS/LS-DYNA的压裂泵阀胶皮冲蚀磨损数值模拟

针对压裂泵泵阀阀胶皮在压裂液固体颗粒冲蚀磨损下引起疲劳破坏的工程问题,运用有限元软件ANSYS/LSDYNA建立橡胶的单颗粒和双颗粒冲蚀力学模型,研究了颗粒冲蚀速度、颗粒尺寸、颗粒冲击次数对冲蚀性能的影响,并分析了阀胶皮的冲蚀失效机理。结果表明,冲蚀磨损程度随颗粒冲蚀速度的增加而增大;同一速度下,随颗粒直径的增大冲蚀磨损速度增大;颗粒冲击次数是造成阀胶皮冲蚀磨损的重要因素,经颗粒多次冲击后,阀胶皮恢复弹性的能力降低直至发生塑性变形后疲劳失效。     

入口高宽比对旋风分离器壁面冲蚀的影响

运用CFD数值计算方法,在不同入口高宽比下,通过雷诺应力模型对分离器速度场进行研究,在拉格朗日坐标系下对粒子轨迹进行追踪,并对壁面磨损进行了对比分析。结果表明:分离空间切向速度峰值和中心区域的速度波动都与高宽比成正比,过大的高宽比也会加剧涡核摆动强度,加剧锥体底部的冲蚀磨损。中间粒径颗粒的入射位置对顶灰环的形成有一定影响,靠近入口下方入射时,颗粒更容易进入灰斗,而在入口上部入射时,容易在分离空间顶端聚集,加重顶部区域的磨损。在磨损方面,筒体部分的冲蚀速率都是从分离空间顶端向下渐渐变小,且随着高宽比的增大最大冲蚀速率逐渐变大。锥体壁面的冲蚀磨损速率沿着轴向向下都出现逐渐增大的趋势。因此,为了兼顾较小的壁面磨损和更好的工艺性能,因选择合适的高宽比。     

液动压悬浮抛光中磨粒与工件表面作用的数值模拟研究

针对液动压悬浮抛光固-液两相流中固相磨粒与工件表面撞击的过程中,对磨粒以不同的速度和不同的角度撞击工件表面后残余应力沿工件深度方向的分布规律进行了研究,利用ABAQUS软件建立了单颗磨粒撞击工件表面的三维有限元模型。对磨粒流撞击工件表面时的速度场进行了输出,利用PFC/3D软件建立了磨粒流撞击工件表面的三维离散元模型。研究结果表明:随着撞击角度和速度的增大,在工件表层形成的压应力场会增大,沿深度方向残余应力值急剧下降,磨粒流中磨粒间的撞击对磨粒撞击工件表面的速度场影响不大。     

耦合DEM-CFD法双入口磨粒流动力学模拟及加工试验

针对单入口磨粒流加工装置光整不均匀问题,提出了双入口磨粒流加工装置,为了解决传统CFD软件不能跟踪颗粒撞击壁面问题,结合DEM和CFD方法,通过耦合PFC和CCFD软件,利用DMP颗粒运动模型和标准k-ε湍流模型来模拟磨粒在流场中的运动.仿真中,通过PFC记录磨粒撞击壁面的速度和次数,通过CCFD记录流场运动状态,并应用Abaqus中Johnson-Cook模型分析了撞击速度和撞击次数对靶材质量损失的影响.数值模拟结果表明,双入口装置内两股流体撞击使得磨粒运动更为无序,磨粒撞击壁面次数大大增加,同时撞击壁面速度大于40 m/s的次数达到1 382次,远大于单入口的563次,使得加工面的材料去除速度更快.加工试验结果表明,加工30 h后,双入口装置加工的工件表面粗糙度Ra=0.35 μm,单入口装置工件表面粗糙度Ra=0.65 μm,加工效率明显提高.     

液动压悬浮抛光固液两相流CFD数值模拟及PIV验证

针对液动压悬浮抛光固-液两相流中固相颗粒与工件表面撞击的过程,对不同加工工况下的固相颗粒与工件表面的撞击角度和速度进行了研究。采用计算流体力学方法建立了液动压悬浮抛光流场的三维模型,并输出了固相颗粒撞击工件表面的速度场;同时使用粒子图像测速方法对不同工况下的抛光流场进行了试验观测。研究结果表明:CFD模拟获得的撞击速度值与PIV观测值非常接近,且随转速增加,PIV观测值受固相颗粒之间的撞击效应影响越大;抛光过程中固相颗粒撞击工件表面的角度非常小,近似于在工件表面平行摩擦,且抛光盘转速和抛光液浓度对撞击角度的影响很小。     

液压滑阀全寿命周期冲蚀磨损量特性分析

满足油液清洁度要求的液压油中仍存在固体颗粒物，这些固体颗粒在油液带动下会撞击滑阀空间流道，使滑阀产生冲蚀磨损，导致其性能退化。针对上述问题，结合计算流体力学与冲蚀理论，进行了滑阀磨损过程的数值模拟，得到滑阀全寿命周期磨损规律：滑阀的进出口压差增大，使颗粒的撞击速度和颗粒流量增大，加剧了滑阀磨损；阀口开度增大，节流口处从层流转变至湍流，同时也增大了颗粒流量，使滑阀磨损程度增大，且在不同阀口开度下，滑阀的磨损区域不同；同一节流口处，不同的油液流向，节流边两侧的磨损程度不同；节流磨损轮廓表明，阀芯的径向磨损和阀套的轴向磨损会导致滑阀控制性能下降，且阀芯的磨损较阀套更严重。     

离心搅拌机固体颗粒高速搅拌磨损仿真分析

磨损一直是旋转机械中较为主要的失效形式,针对离心搅拌机在高转速工况下的自身磨损问题,通过离散元素法建立了离心搅拌固体颗粒接触磨损模型,定量的研究了不同转速对搅拌机叶片和腔体的磨损特性影响。首先通过相对磨损模型确立了搅拌机腔体和叶片最大磨损部位和接触力的大小;然后使用磨损深度模型分析了高转速工况下叶片与腔体磨损量的大小。最终研究表明：搅拌机腔体最大磨损位置在上壁面处,搅拌叶片最大磨损位置在搅拌刀刀头部位,搅拌叶片接触力和磨损量大于腔体内壁,转速越高,搅拌机的接触力和磨损量越大。该结论可为离心搅拌机的搅拌时间和搅拌速度等工作参数设定和疲劳寿命预测提供参考。     

微细铣削加工刀具磨损数值模拟的研究

采用商业有限元DEFORM-3D软件,建立了三维微细铣削加工模型,利用该模型动态模拟了硬质合金微径铣刀铣削加工2A12工件时刀具的磨损变化形态。结果表明,与常规刀具磨损形态不同,微径铣刀的磨损主要发生在刀尖处,后刀面磨损形态为近似三角形。针对这一特点,提出利用后刀面刀尖处的最大磨损高度hmax判断微径铣刀磨损量的方法,研究铣削方式对刀具磨损量影响的变化规律。仿真结果可用于预测刀具磨损变化规律,为微细铣削加工参数的优化、微径铣刀的合理选用、设计及进一步有效控制刀具磨损提供研究手段。     

电厂换热管束冲蚀磨损数值模拟分析

电厂锅炉高温换热器受热面在含尘烟气长时间磨损的作用下,会出现吹蚀减薄迹象,导致换热器爆管,使得机组被迫停机.为了揭示飞灰颗粒对换热管束冲蚀磨损的影响,采用欧拉-拉格朗日方法以及Oka模型分别模拟颗粒运动和管壁冲蚀磨损情况,通过用户自定义函数描述颗粒物与壁面的反弹效果,对不同粒径和不同管排下的磨损情况进行了分析.结果表明,管排布置方式会对换热管束冲蚀磨损产生影响,具体表现:第一排换热管受颗粒的冲击磨损影响较显著,面平均磨损量随颗粒粒径的增大而增大;横向间隙减小时,换热面平均磨损速率减弱,换热管纵向间距对磨损的影响不大,管束叉排布置时,磨损量增加.数值模拟结果加深了电厂高温换热器磨损规律的认识,通过换热管束的合理布置,有助于减少磨损,提高系统运行的可靠性.     

软性磨粒流磨粒入射壁面过程及其加工特性研究

针对利用两相流模型无法计算高浓度固—液两相流固相颗粒撞击壁面时颗粒速度的问题,提出一种边界层内颗粒运动轨迹计算模型,基于Mixture两相流模型和Realizable k-ε湍流模型仿真计算结果,通过分析提取颗粒入射前速度、计算边界层厚度、建立边界层内速度场和颗粒运动分析可以得到颗粒撞击壁面时的速度和入射角度。分析加工表面动压力分布和磨粒体积分数分布,结合两种结构约束流道验证仿真结果与加工效果的对应关系。通过对试验结果的分析,为约束模块的设计提供依据。研究结果表明:磨粒入射速度、磨粒体积分数和加工表面所受动压力大小直接影响工件加工效果,并与材料去除量成正相关关系;在本次试验中选择的工艺参数导致加工材料去除量小,适合初始粗糙度低的工件表面加工,对于此次试验的初始粗糙度应在0.2μm以下;约束模块的设计除了要考虑磨粒流流场特性之外,还要对加工表面的原始加工痕迹作详细了解,为约束模块的设计及加工工艺参数提供参考。     

基于BP神经网络的钢轨磨损量预测

随着列车运行速度和轴重的提高,轮轨系统的磨损越来越严重,其中曲线半径、轴重和运行速度是影响轮轨磨损的重要因素。建立了钢轨磨损量影响规律的径向BP基函数神经网络模型,该网络具有3路输入,3个神经层;在JD-1大型轮轨模拟试验机上通过改变试验参数进行钢轨磨损试验,获得不同试验参数下的钢轨磨损量;以钢轨磨损数据作为BP神经网络的目标样本,对不同试验参数下的磨损量进行了预测。结果表明,模型可较准确地计算轮轨冲角和速度对钢轨磨损量的影响规律,利用BP神经网络对钢轨磨损量预测具有较高的精度,可在一定程度上验证试验结果。     

急冷油泵内颗粒对叶轮磨损的数值模拟分析

因急冷油中含有固体颗粒,在运行过程中会对泵的过流部件造成磨损,从而影响泵的寿命。基于离散模型(DPM),针对不同粒径、不同浓度的颗粒对叶轮的磨损进行了数值模拟分析。研究结果表明：颗粒粒径保持不变时,随着颗粒质量浓度的增大,急冷油泵过流部件上的磨损位置不变,磨损量增加;颗粒质量浓度保持不变,当粒径从0.025 mm增加到2 mm时,叶片工作面尾缘磨损程度加剧,背面磨损程度降低,前盖板靠近背面一侧磨损减弱,靠近工作面一侧磨损加剧;颗粒粒径与颗粒浓度不变的情况下,通过优化叶片的出口角度,可以适当降低整体的磨损率,达到优化作用。     

平头弹撞击角度对2A12-T4铝合金板失效特性影响的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS建立模拟模型,开展38CrSi钢弹体撞击2A12-T4铝合金板数值模拟研究,分析撞击过程中弹体撞击角度对弹道姿态及靶体失效特性的影响。基于数值仿真和实验结果,分析靶体的失效特性,确立不同撞击条件下靶体主要失效模式的转变规律,以及由此对靶体抗撞击性能的影响。研究结果表明：弹体的弹道极限速度随其撞击角度的增大先减小后增大,弹道极限速度在撞击角度约为15°时达到最小值;弹体撞击角度对靶体失效模式存在很大影响,随着弹体撞击角度的增大,靶体主要失效模式由剪切破坏逐渐过渡到撕裂破坏,靶体的撕裂程度不断加剧;弹体初始撞击角度和速度对其在撞击过程中的弹道姿态存在影响,在弹道极限速度附近表现尤为显著。     

气门顶杆冷挤压过程模具磨损研究

通过分析零件的结构特点,基于气门顶杆的零件图设计出挤压件图。通过Archard磨损模型分析了模具磨损原因。利用DEFORM-3D的数值模拟功能分析了摩擦因数、成形速度和模具硬度对冷挤压成形过程中模具磨损的影响。结果显示:摩擦因数越低,磨损量越小,为了节约成本和简化润滑过程,选择摩擦因数接近0.1的模具磨损量较小且满足工艺要求;成形速度在30mm/s时,凹模磨损量最小,凸模磨损量较低;模具硬度增高,磨损量减小,模具硬度在接近60HRC时磨损量较小且性能稳定。数值模拟的结果为实际生产中加工工艺参数的选取提供了一定的理论指导。